(57)【要約】【課題】化学反応させるべき試料にマイクロ波を均一に照射することにより、試料の化学反応を高効率かつ均一に行わせる新しい手段を提供する。【解決手段】  モード変換器を介して、方形導波管のTE10モードから円形導波管１のTE01モードへ変換する。このTE01モードのマイクロ波を伝送する円形導波管１内に同軸的に中実または中空の誘電体円管２を配し、この円管２内に化学反応させる試料Ｍを流通させるための流路２ａ、２ｂを設ける。円形導波管１内で、マイクロ波を試料Ｍに作用させることにより、試料Ｍの化学反応を促進する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
TE01モードのマイクロ波を伝送する円形導波管内に、同軸的に中実または中空の誘電体円管を配し、この円管内に化学反応させる試料をそれぞれ収容または流通させるための収容部あるいは流路を設け、前記円形導波管内で、マイクロ波を前記試料に作用させることにより化学反応を促進することを特徴とするマイクロ波化学反応装置。
【請求項２】
前記誘電体円管が、軸方向に短く、径方向に大きい扁平な皿状の容器であり、この容器の底部の中心部に試料の流入部を設け、容器の周辺部に試料の流出部を設けるか、容器の底部の中心部に試料の流出部を設け、容器の周辺部に試料の流入部を設けることにより、前記試料を容器内で半径方向にほぼ放射状に流すように構成したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波化学反応装置。
【請求項３】
前記容器の少なくとも底部が誘電体で構成されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波化学反応装置。
【請求項４】
前記円形導波管が、前記扁平容器内を流れる試料の深さ方向のほぼ中心からマイクロ波波長のほぼ1/4だけマイクロ波の下流側へ離れた位置で、当該円形導波管の中心軸と直角方向の短絡板により短絡されることを特徴とする請求項２又は３に記載の化学反応装置。
【請求項５】
前記扁平容器内の前記試料の上の空間を真空脱気するための排気口が設けられることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料にマイクロ波を照射することにより化学反応を促進する化学反応装置に係り、空胴共振器を用いないで、液体、気体、粉体等の化学反応させる試料を高効率でほぼ均一に加熱できるマイクロ波化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は、電子レンジをはじめ、産業用加熱炉の熱源として広く利用されている。マイクロ波は、物質に含まれる水を加熱するだけでなく、極性を持った誘電物質に作用してこれを直接、かつ選択的に加熱できるので、従来の加熱手段のように外部から試料を加熱する装置に比較して、短時間で効率よく試料を加熱できる特徴を持っている。
近年、化学反応を行わせたい物質にマイクロ波を照射すると、化学反応を大幅に促進できる現象が見出され、マイクロ波の単なる加熱装置への適用に留まらず、短時間で化学反応を行わせる化学反応装置としての適用の途が大きく開けつつある。
マイクロ波化学反応装置には、大別して、終端に整合負荷を接続した整合導波管型、終端を短絡した短絡導波管型、および、空胴共振器を用いる空胴共振器型がある。
一般に化学反応は、これらの装置内に試料を置いて行われる。整合導波管型は同調のための調整を必要とせず、整合に関しても比較的簡易な方法で事前調整されていて、通常、無調整で使用できるようになっている。しかし、装置の構成上の問題から、終端に向かって伝送されるマイクロ波電力しか利用できないという性質があって、効率があまり高くないという欠点を持っている。そのような問題があっても、化学反応を大幅に早める能力を持つので、使用上の簡便さから、利用が広まっている。
この装置に対し、短絡導波管型は、反射して戻ってくるマイクロ波も反応に利用することを可能にするもので、進行波および反射波の位相を試料の位置でちょうど同相になるように調整することにより効率を改善できる特徴を持つが、試料の誘電体特性の差やその変化に応じて短絡位置を調整しなければならないという欠点を持っている。
これらの導波管型の装置は、いずれも方形導波管を使用するものである（例えば特許文献１参照）。この方式の大きい問題は、電界分布とマイクロ波伝送空間の一部しか利用していないことである。この点については後述する。
空胴共振器型は、マイクロ波を空胴壁で多重反射させて試料に何度も照射させるもので、効率が極めて高くなるという利点を持つが、試料の特性差やその変化に応じて共振周波数を調整して常に同調を取る必要があるという欠点を持っている。
したがって、短絡導波管型や空胴共振器型の高効率特性を持ち、整合導波管型の簡便さを持つ装置の開発要求が高まっている。すなわち、調整を全く要しないか、あるいは、簡便な方法で、調整が可能な装置の開発が要求されている。
化学反応のもうひとつの重要な要件は反応の均一性である。この要件を満たすには、試料に少なくとも累積的に均一な強さを持つマイクロ波を照射することである。マイクロ波を化学反応に用いることが広まっているが、現状は、均一加熱できない装置が実験的に利用されている。しかしながら、将来は、益々、均一照射の要求が高まってくると思われる。
マイクロ波を伝送するために通常、一般的に使用されているのは方形導波管である。この方形導波管で伝送するマイクロ波はTE10モードと呼ばれ、導波管の管軸に直交する長方形平面内の電界分布が長辺方向で正弦半波状に変化し、中心部で最大、辺のところでゼロになっていて、短辺方向では均一となっている。これは、後述の円形導波管におけるTE01モードとは、電界分布がまったく異なる別のモードである。試料にマイクロ波を照射する場合には、マイクロ波に、その試料に合う電界分布を持たせる必要があるが、方形導波管内の電界分布はこの点で適切でない。また、試料の挿入によって電界分布が変化してしまうという問題がある。また、電界が局在する一部にしか試料を挿入できないという問題もある。これらの問題のために、方形導波管を用いる方法では均一で高効率の反応が望めない。
円形導波管のドミナントモードはTE11モードで、この電界は管軸に直角な平面内にあって、面内で向きと強さが変化する。したがって、均一性の点で適切なモードではない。高次のモードに、円周方向に均一な電界強度を持つTM01とTE01がある。前者では電界が軸方向に向かい、円周に沿って強さが変わらない。後者は電界が円周に沿っており、円周上で強さが変化しない。これらのモードは均一性の要件を満たしていると言える。
円形導波管のTM01モードを利用する方法として、例えば、円形導波管の両端を金属板で短絡し共振器とした場合の利用法を特願２００４−１４１０７９において出願人が提案した。この場合、共振モードはTM010と表記される。このモードの電界はTM01モードの特長を持つほか軸方向にも変化しない。しかしながら、共振器のため、必ず共振を取る必要があり、これがひとつの欠点になっている。最近、導波管モードであるTM01モードを利用する案が提案されようとしている。
円形導波管のTE01モードを利用する方法はまだ提案されていない。
化学反応装置を構成する場合は、まず、所望のモードを発生させ、それを伝送し、励起する必要があり、一方、試料を溜めたり流したりして、この試料にマイクロ波を照射し、所定の化学反応が行われるようにする必要がある。通常、この要件をうまく満たすにはかなりの工夫が必要である。
試料の入出口から電波の漏れを極力押さえる必要があり、その入出口や試料の存在によって電界分布が乱れてしまわないようにすることが重要である。また、試料内の電界がほぼ一定で、値そのものが大きくなければならない。
試料の境界で電界が境界面に平行になっているときは、その内外で互いに等しい値を持つが、電界が境界面に垂直となっているときは試料の比誘電率分の１になる。電界が斜めになっている場合は上記2つの条件を満たす必要から、試料の内外で境界面に対する電界の角度が異なってくる。このような境界条件を満たす必要から、試料の有無によって電界分布がまったく変化してしまうことがある。そうなるとせっかく均一なTE01やTM01を利用しようとしても、分布自体が変化し均一性が損なわれる。
境界条件によっては、試料内の電界も弱くなり、効率が低くなってしまう問題も起きる。
化学反応を行わせると温度変化に伴って比誘電率と、マイクロ波の吸収に関わるtanδというパラメータが変化する。また、反応に伴って、反応生成物が発生する。必要に応じて不要な反応生成物を除去する必要もある。
以上述べたいくつかの問題を解決し、必要な要件を満足することによってのみ、マイクロ波を使って均一にしかも効率よく化学反応を行わせることが出来る。一般にその方法を確立することはかなり難しい。
なお、広く利用されている化学反応実験装置は電子レンジを転換した装置である。しかしながら、この場合、上記のような均一性の要件を満たしていないので、試料内の電界が不均一となって、均一反応は望むべくもない。化学反応装置は今後、実験室レベルからプラントレベルに展開されて行くことになるが、現状、ニーズに応える装置の開発が急務である。
【特許文献１】特開２００２−０７９０７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、マイクロ波によって化学反応を促進する新しい手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載された発明においては、上記課題を解決するため、円形導波管内を伝送するTE01の電界を、この円形導波管の中心部に配した試料に作用させ、同調を取ることなく、高効率でほぼ均一な化学反応を促進するマイクロ波化学反応装置を提供する。
【０００５】
請求項２および請求項３に記載された発明は、特に扁平な容器内を放射状に流れる試料にTE01モードを作用させるための手段を提供する。
【０００６】
請求項４に記載された発明では、円形導波管における扁平容器より下流側の所定箇所に短絡板を設けて短絡し、扁平容器内で進行波と反射波を同相で重ねて電界を最大とする手段を提供する。
【０００７】
請求項５に記載された発明では、扁平容器内で反応に伴って発生する不要な反応生成物を扁平容器の上部の空間から除去するために、真空脱気する排気口を設けた。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載された発明においては、試料の反応をほぼ均一に進行させるとともに、特に試料を流す円管の長さが十分長いときは伝送されるマイクロ波のほとんどを吸収させることが出来るようにした。
【０００９】
請求項２、請求項３に記載された発明においては、特に扁平な容器内を流れる試料の反応に適する手段を確保できるようにした。
【００１０】
請求項４に記載された発明においては、試料のところで電界を最大として反応をより効率的に行えるようにした。
【００１１】
請求項５に記載された発明においては、不要な反応性生物を効率よく除去できるようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の一実施の基本構造を示す化学反応装置の断面図、図２は扁平容器を用いた本発明の一例を説明する化学反応装置の断面図、図３は試料のところで最大電界を発生させる手段を示す化学反応装置の説明図、図４は本発明の真空脱気手段の一例を示す化学反応装置の断面図である。
【００１３】
図１において、円形導波管1の上方から TE01モードのマイクロ波が下方に向け伝送される。この円形導波管１内に、これと管軸が一致する中空の同軸円管２が設けられる。同軸円管２は、内部に内外２つの流通空間２ａ、２ｂを有する同軸の二重管であり、マイクロ波を低損失で透過させる誘電体で構成される。同軸円管２の２つの流通空間２ａ、２ｂは、TE01モードの電界が極大となる付近に設けられ、同軸円管２の上端部で連通している。試料は、同軸円管２の流通空間２ａ、２ｂを流れる過程でマイクロ波を照射される。この例では、試料は同軸円管２の流通空間２ａ又は２ｂの一方を通って先端部に達し、向きを変えて流通空間２ｂ又は２ａの他方を通って流下する。図の矢印は内側流通空間２ａから外側流通空間２ｂに流れる場合の流れの方向を示している。TE01モードのマイクロ波の作用を受けて試料の化学反応が促進される。なお、円管２が中実であるときは、その誘電率にもよるが、全体として円形導波管や円管の径方向の寸法が小さくなり、整合もとりにくくなるので、通常、中空にする。
図示しないが、マイクロ波は、例えば、方形導波管の短辺を広げた後、電界に垂直な金属板で2分され、その側面に設けた中心軸が方形導波管の電界と直角である円形導波管の結合部に伝わって、方形導波管と円形導波管の共通壁に設けた放射状の互いに直交する4つのスロットを介して方形導波管から円形導波管へ結合しTE01モードとして円形導波管を伝播する。この方法は共振孔型円形TE01モード変換器と呼ばれるもので、いくつかの文献で紹介されている。このような方法で発生させたTE01モードの電磁波が円形導波管１を図の下方に伝送される。
円形導波管１と同軸円管２の長さを調整すれば、電磁波のエネルギーの殆どが試料に吸収される。円形導波管１の電界は円周に沿っており、円周方向で強さが一定で径方向では中心軸上でゼロとなり、径が大きくなるにつれて強さが増し、極大値を示した後、導波管壁面でゼロになる。したがって、この極大値に近い部分を試料が流れるようにしておけば、それだけ強い作用が起きると期待できる。この場合、円形導波管の電界は試料の境界面に沿っているので、試料の内外で電界強度が等しくなるという境界条件を満足している。
【００１４】
TE01モードの電界は、軸方向には管内波長に従って正弦波状に周期的変化をしながら伝播し次第に減衰するが、試料は軸方向に流れているので、累積的にほぼ同じ強さのマイクロ波のエネルギーを経験する。本発明では、円形導波管の終端(図の下端)でマイクロ波強度がゼロ近くなっているので、終端部の構造や試料の配管の形状を細かく考慮する必要はない。なお、十分減衰しないで終端部に達しても、底で反射したマイクロ波が同軸円管２の上端に達したとき無視できる程度に減衰していれば良い。
【００１５】
図２は、試料を流通させる同軸円管２として、軸方向に短く、径方向に大きい扁平な皿状の扁平容器３を用いる実施形態を示す。この実施形態は、円形導波管２内の扁平容器３をほぼ放射状に流れる試料にTE01モードのマイクロ波を作用させる例である。導波管１の下流側に、テーパ導波管４を介して第２の円形導波管である大径円形導波管５が接続される。テーパ導波管４は、下端側においてその内径が600−800mm程度以上に拡大され、第２の円形導波管５につながる。円形導波管５の中に、同軸で扁平円筒状の容器３が配置される。扁平容器３の底部６は中心軸に直交していて、マイクロ波を透過させる低損失の誘電体で作られる。側面は金属であってもかまわない。通常、円形導波管５の終端は無反射終端で終端される。
扁平容器３の周辺部に試料の流入孔７が設けられ、中心部に試料の流出孔８が設けられる。流入と流出は逆であってもよい。したがって、試料は図の矢印に示す方向あるいはその逆の方向に流れる。円形導波管５の中心軸近傍では電界が弱くなっているので、流出孔８の構造や大きさは、それが誘電体で作られている限り、多少、自由に設計してもかまわない。扁平容器周辺の流入孔７は容器内の試料が径方向に中心に向かって流れるように、例えば、周りからあふれ込む、あるいはあふれ出るように、工夫して設計する必要がある。あるいは、この部分は、円周に沿うスロットや円周に沿って等間隔に分布させた細孔を利用することもできる。なお、この流入孔７は円周方向に流れを作るものであっても良いが、その場合は試料は渦巻状に流れて中心部の流出孔から流出するようになっていてもかまわない。
以上の構成では、マイクロ波は円盤状に集積した試料を通過するときにのみ有効に吸収される。したがって試料に適切な厚みを与える必要がある。加熱効率はあまり高くない。共振孔型円形TE01モード変換器の円形導波管１の径はマイクロ波の周波数が2,450MHzの場合、およそ200mm程度である。この実施例では、試料の化学反応によって発生する不要生成物である水を除去する目的で出来るだけ表面積を広く取る必要があって、テーパ導波管４を用いて径を600−800mm程度以上に広げた。
【００１６】
図３の実施形態では、図２で示した例の円形導波管５が、扁平容器３内を流れる試料の深さ方向のほぼ中心からマイクロ波波長のほぼ1/4に相当する距離Ａだけマイクロ波の下流側へ離れた位置で金属円板からなる短絡板９により短絡される。短絡板９は、円形導波管５の中心軸と直角に円形導波管５を閉じる。この短絡によりマイクロ波が全反射するので、その反射波も試料Ｍの加熱に使うことが出来る。この構成により、短絡板９に向かうマイクロ波と短絡板９から反射するマイクロ波がちょうど試料Ｍの深さのほぼ中央の位置で同相になり、マイクロ波の電界強度が極大となる。反射波はさらに上流に向かって伝送されるが、すでに試料Ｍによってエネルギーを吸収されているので、通常、それほど大きくない。さらにこの反射を減らすには、図示しない上流の方形導波管の部分にスタブチューナなどの整合器を配しそれを調整すればよい。この場合、反射点とスタブチューナとの間の距離が長いので整合する周波数幅は狭いが、特定の周波数で反射を抑えた分だけ試料の吸収が増し効率が上がる利点がある。短絡板９は軸方向の位置を調整できるようにしておくと便利である。円形導波管５の壁面電流は円周方向であるので、短絡板９と導波管５の側壁との接触は必ずしも完全でなくても大きい支障を生じないが、隙間があるとその部分から電波が漏れる可能性があるので、隙間を極力、発生させないように配慮する必要がある。隙間が発生する場合はマイクロ波が漏れないよう付加的な金属壁を用いて囲み込む。必要な開口である試料の出入孔周りに対してはマイクロ波が遮断される金属性円筒で囲う構造にする。
【００１７】
エステル化、アミド化など、有機材料を縮合反応させると、反応に伴って不要反応生成物である水が発生する。この水を抜くため、試料Ｍのマイクロ波照射面をなるべく広くし、また試料の集積があまり厚くならないように設計された図２の実施形態が有効である。容器３内の試料Ｍの表面から水蒸気として発生する水を真空脱気するようにした実施形態を図４に示す。
この実施形態においては、円形導波管１にこれを囲む集気室１０を介して排気管１１が接続される。円形導波管１と集気室１０とは、円形導波管１の管壁に形成された円周方向のスロット１２を介して連通する。円形導波管１の管壁を流れる電流は円周に沿う方向であるから、この構造であれば、電流を乱さずに排気管１１を接続できる。排気管１１の直径は、マイクロ波が遮断される径以下とし、十分減衰されるように、その直径を有する管の部分をある程度長く取れるようにする。共振孔型円形TE01モード変換器の円形導波管は、高次モードであるTE41モードを遮断するように設計されているが、TEモードでは、TE11、TE21、TE31が、またTMモードに関してはTM01、TM11、TM21などが不要モードとして伝送できる。したがってスロットと排気管はTE01モードの管壁電流をなるべく乱さないように、また対称性を乱さないように配慮する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施形態に係るマイクロ波化学反応装置の一実施例の基本構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る化学反応装置の試料を内蔵する扁平容器の一実施例を示す断面図である。
【図３】この発明の実施形態に係るマイクロ波化学反応装置の反射電力を利用するための手段を示す説明図である。
【図４】この発明の実施形態に係る真空脱気の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１９】
１    円形導波管
２    同軸円管
２ａ  内側流通空間  
２ｂ  外側流通空間
３    扁平容器（同軸円管）
４    テーパ導波管
５    大径円形導波管（第2の円形導波管）
６    扁平容器の底面
７    流入孔
８    流出孔
９    短絡板
１０  集気室
１１  排気管
１２  スロット
【図１】
2006181534.tif 000003
【図２】
2006181534.tif 000004
【図３】
2006181534.tif 000005
【図４】
2006181534.tif 000006